세계측지계

제1장 개요

1.1. 개요

  측지학(geodesy)이란 지구의 형상(形狀)，크기，운동，지구내부의 특성 등을 해석하는 학문이다. 따라서 넓은 지구표면의 지형과 중력의 변화를 헤아리는 측지측량을 하기 위해서는 측지학의 지식을 필요로 하고 있다. 지구는 평면이 아니라 곡면이며 완전히 둥글지 않으며 태양 주위를 공전과 동시에 자전을 하고 있다. 따라서 이러한 지구의 기준 모델을 측지계(geodetic datum)라고 하며，지역측지계와 지구중심측지계(세계측지계)로 분류된다.

  지역측지계(local geodetic datum)는 지구해면의 특정 부분에서 형상과 크기를 근접시킨 측지계 이므로 회전타원체의 중심은 지구의 질량중심과 일치하지 않는다. 현재까지 대부분의 국가에서 공간정보시스템은 지역측지계를 기초하고 있다. 우리나라에서 1910년대 이후부터 2001년까지 사용해온 동경측지계는 지역측지계의 한 예이다. 이 측지계를 사용하는 일본과 한국지역에서는 뱃셀회전타원체가 해면의 크기와 형상에 근접한 것으로 가정하고 있지만 지구 전체를 포괄하지 못하며 세계 다른 지역에서는 상당한 편차가 있기 때문에 적합하지가 않다.

<표 1-1> 각국의 지역측지계 사용현황

  지구중심측지계(geocentric datum)는 세계적으로 지구의 형상과 크기가 가장 근 접하는 측지계이며 타원체의 중심이 지구질량 중심과 일치한다. 지구중심측지계에 서는 지구의 특정지역에서 가장 잘 적합되는 회전타원체를 구하여야 할 필요가 없으며 활용분야와 지역도 전 세계를 대상으로 한다. 미국 국방성에서 운영되는 범지구위치결정체계(GPS)는 세계적인 활용범위 때문에 그 위치를 지구중심측지계에 의해 구현하고 있다. 러시아의 GLONASS위성도 역시 지구중심측지계를 사용하지만 GPS에서 사용되는 측지계와는 다르다. 지구중심측지계를 세계측지계라고도 한다. 또한 측지기준계란 좌표계와 타원체의 결합을 말한다. 세계측지계는 구축기법에 따라 크게 세계 대다수의 국가에서 사용하고 있는 ITRF계 미국의 GPS 운영 측지계인 WGS계，그리고 러시아의 GLONASS 운영 측지계인 PZ계로 나눌 수 있다.

<그림 1-1> 지역측지계와 세계측지계의 비교

  ITRF는 국제기구인 IERS(Intemational Earth Rotation Service)에 의해 유지되는 정확한 좌표의 국제망이며 좌표를 결정한 시점에 따라 ITRF 91，92，... , ITRF2000 등이 있으며 그 차이와 변환상수는 공표되고 있다. 이 좌표계는 VLBI，SLR，GPS 및 DORIS의 측지관측에 의하여 결정된다.

WGS84좌표계(WGS84 Coordinate System)의 정의는 아래와 같다

    o 원점은 해양 및 대기를 포함한 지구의 전 질량의 중심

    o Z축은 국제시보국(Blli)에 의해 정의된 관용극점(CTP)방향에 평행

    o X축은 BIH에 의해 정의된 경도 0도의 자오면에 평행한 면과 적도면의 교선

    o y축은 X축으로부터 직각으로 적도면과 만나는 연장선이며，오른손 좌표계의 구성 방향인 X，Z축의
       나머지 한 방향이다.

    o 타원체의 장방경과 편평율은 GRS80과 거의 동일하다

※ WGS-84와 ITRF 좌표계의 비교

  WGS84는 미국 국방성에서 1987년 1월 1일에 도입한 GPS좌표계이며 미국 NIMA에서 사용해왔다. WGS84기준계는 Epoch 1994.0 시점에서 ITRF91을 기초로 1994년 1월 2일에 WGS84(G730)로 변경되어 정밀력에 적용되었다. 또한 1997년 9월 27일에는 다시 WGS84 (G873)으로 개량되었다. WGS84 (G873)는 수 cm수준에서 ITRF와 일치하므로 일반적인 응용분야에서 ITRF좌표는 WGS84좌표로 사용할 수 있다. 특히， WGS84좌표게를 이용하는 GPS좌표는 WGS84좌표계로 표시되나 이 값은 단독 위치관측의 경우 그 정확도는 수 m정도이므로 ITRF와 WGS84간의 좌표 차이를 구분할 수 없으나 상대위치관측의 경우는 그 정확성을 요하는 측량이므로 고정점의 좌표값을 기지인 ITRF계에 적용하여 사용한다. 관측 GPS수신 자료는 처리과정에서 ITRF계에 적용하거나 WGS계에 적용하느냐에 따라 측량성과의 종류가 구분된다. 따라서，ITRF계는 정밀위치관측분야인 지각변동 측지측량 등에 주로 사용하며，WGS84계는 항법에 주로 사용되고 있다. WGS84는 국제적 합의에 의하여 채용된 것은 아니지만 1987년 1월부터 운용이 개시된 이래 1994년 1월과 1997년 10월에 개량하고 이들을 각각 WGS84(G730) 및 WGS84(G873)이라 하며， 그 결과 WGS84( G873)은 ITRF와 실용적으로 일치하고 있다.
  또한 ITRF가 CTRS의 실현 좌표 프레임인 것과 마찬가지로 WGS84좌표계는 관 용지구계(약칭 CTS Conventional Terrestrial System 또는 약칭 BTS : Bill Terrestrial System)의 개념에 근거하여 지구상에 구현한 좌표계인 것이다. 현실적으로 이 관측값은 주로 도플러 관측에 의한 것으로서 WGS좌표계는 미군 항행시스템으로서 개발된 것이다. GPS 응용분야(조사 및 항법)에서의 영향은 크지 않기 때문에 대부분의 GPS 사용자들은 이변화를 알지 못하였으며 이 WGS(G873)은 수 cm수준에서 ITRF와 일치하는 GPS 기준계가 되었다. 일반적인 응용분야에서 ITRF 좌표는 WGS좌표로 사용할 수 있다.

<그림 1-2> WGS-84 좌표계

1.2. 한국측지계

  고정밀화 및 자동화되고 있는 첨단 측량을 이용하기 위해서 지역측지계의 불합리 한 기존 측지계를 높은 정확도의 측지계인 KTRF(한국측지계)로 전환하고 있다.

 1) 한국측지계2002 (KGD2002)

  한국에서는 세계기준으로 지구중심측지계인 한국측지계2002(KGD2002)를 새로 채택하였다. 이 한국측지계2002는 2002년 1월 1일의 특정시점(epoch2002. 0)에서의 ITRF2000에 설정된 기준좌표계로서 준 이동측지계이다. 즉 한반도 대륙판은 매년 동남쪽 방향으로 약 3.5cm씩 움직이고 있기 때문에 특정시점에 고정한 것이다. 이 측지계를 채택함으로서 국제좌표기준망과 항법체계를 통합할 수 있게 되었다. 특히 이 측지계는 GPS에서 사용하는 세계측지계(WGS84)와 거의 일치하고 있으므로 GPS에서 얻어진 좌표는 대부분 한국측지계2002에서 직접 사용된다.
  동경측지계에 의한 좌표는 지역좌표계를 사용하고 있으나 한국측지계에서는 지구 중심의 세계측지계를 사용하며 이 두 측지계는 서로 다른 타원체를 사용한다. 한국 에서 지도 등 모든 공간데이터는 점진적으로 새로운 좌표계로 전환될 것이다. 결과적으로 동경측지계와 한국측지계2002의 좌표간에는 지역에 따라 다르지만 약 350m의 차이가 있으며 북방향으로 약+300 동방향으로 약-200m 변경되게 된다.

<표 1-2> 한국측지계 용어

<표 1-3> 한국측지계 2002 정의
 

 2) 수평위치 직교좌표계

  전자계산기가 개발되기 전에는 타원체면 상에서의 평균계산처리에 많은 시간이 걸렸으므로 가능한 한 평면상에서 처리하고자 하였으며 또한 협소한 범위의 측지망의 처리에는 평면좌표계는 직감적으로 알기 쉽게 표현된다. 그러나 타원체면을 평면으로 간주한 경우 처리범위가 넓으면 왜곡이 커진다. 기본측량 및 공공측량에 사용되는 수평위치직교좌표는 타원체를 평면으로 간주한 경우의 왜곡이 1/100,000정도 이내가 되도록 다음의 3가지 조건에 의해 타원체에서 평면으로의 투영을 한다.

    ① 원점을 통과하는 자오선의 거리 S와 그 평면으로 투영된 거리 S의 축척계수 가 일정하고 그 값은 1.0000이다.

    ② 타원체상의 각과 평면상의 각이 동등한 등각투영

    ③ 경도 2˚간격으로의 범위에 적용한다.

  이 투영법은 원점에서 동서로 멀어져 선 증대율이 커져서 약90km범주에서의 증대율은 1.0001이 된다. 가령 원점에서 130km정도 떨어진 지역에서는 증대율이 1.0002 로 되어 1/10,000만큼 평면상의 거리는 실제의 거리보다 길어진다. 따라서 전국을 적당히 분할하여 투영에 의한 왜곡정도가 1/10,000이 넘지 않도록 하여야 한다. 측량·수로조사 및 지적에 관한 법률에서 정한 수평위치직교좌표의 프레임은 다음과 같다.

    ① 우리나라 전역에 4개의 원점(X=0m，Y=0m)이 정해져 있다.

    ② 축은 원점의 자오선에 접하고 진북방향을 +, Y축은 원점에 평행권에 접하고 진동방향은 +로 한다.

    ③ x축의 스케일은 등 간격으로 나뉘어져 있고 자오선의 호장이 1.000(축척계수 mx=1.000)，
        Y축의 스케일은 등 간격으로 나뉘어져 있고，그 축척계수 m은 다음과 같이 표시된다.

           e′ 은 제2이심율이 프레임을 기준하여 도형 등 각 조건에 의하여 지리학적 좌표 와 직교좌표와의 좌표변환이 행하여 진다.

<그림1-3> 우리나라의 수평위치 직교좌표 

<그림1-4> TM과 UTM의 축척계수 

 3) 표고

  한국측지계에서 높이의 체계는 표고를 기준으로 하며 종래의 체계를 그대로 유지 한다. 1910년대에는 우리나라의 청진，원산，목포，진남포，인천의 5개소에 검조소를 설치하고 1년 이상의 조위관측을 실시하여 그 결과에 따라 각각의 평균해면을 산정 하였고 이를 높이의 기준면으로 하였다. 당시의 계산에는 5점 모두를 수준기점으로 하였다.

  1963년에는 인천의 수준기점으로부터 인하공업전문대학 구내에 수준원점(표고 26.6871m)을 설치하였는바， 이 원점은 1913년 12월부터 1916년까지 2년 7개월동안 조위관측한 인천만의 평균해면에 근거하고 있다. 1990년도에 전면적으로 재고시된 전국의 수준점 성과는 바로 수준원점의 근거인 1910년 관측된 인천만의 평균해변을 기준으로 통일된 것이다. 다만， 제주도의 경우에는 독립된 제주수준기점을 기준으로 하고 있다.

<표1-4> 신·구 법령 비교
 

  우리나라 측지좌표계의 재정립의 필요성이 강조되고 GPS 측량이 확대 보급되면서，2000년 4월 21세기를 대비한 새로운 국가기준점체계로 전면 개편하기로 결정되었고， 2001년 12월 측량법 개정을 통하여 “지리학적 경위도는 세계측지계에 따라 결정한다”로 명시하였다. 이어서 2002년 6월 측량법 시행령의 개정을 통하여 구체적인 세계측지계의 정의 및 이에 따른 한국경위도원점의 수치가 아래와 같이 고시되었다.

- 세계측지계의 요건

    ○ 회전타원체의 장반경 및 편평률은 다음과 같을 것

       가. 장반경 : 6,378,137m
       나. 편평률 : 1/298.257222101

    ○ 회전타원체의 중심이 지구의 질량중심과 일치할 것
    ○ 회전타원체의 단축이 지구의 자전축과 일치할 것

- 우리나라 경위도원점의 수치

    ○ 경도 : 127° 03′ 14.8913″ E
    ○ 위도 : 37° 16′ 33.3659″ N
    ○ 원방위각 : 3° 17′ 32.195″
        (원점에서 서울산업대학교내 위성측지기준점의 방위각)

  위의 세계측지계의 요건은 결국 세계기준계인 ITRF 지구중심좌표계를 따르고 타 원체로는 GRS80 타원체를 적용하여 경위도를 계산한다는 의미이다. 이러한 좌표계 는 GPS의 좌표계와 거의 동일하므로 향후에는 GPS 측량의 결과를 좌표계 변환과정 없이 곧 바로 사용할 수 있게 된다.

  경위도좌표의 변경은 2003년 1월부터 시행되어 2006년까지는 기존 동경 데이텀에 의한 성과와 세계측지계에 의한 성과를 병행하여 사용하고 2007년 1월부터는 세계측지계의 성과로 완전히 변경하여 사용하도록 하였으나 이를 2010년 1월 1일 부터 사용하도록 시행을 연기한바 있다.